KR100829563B1 - 전자기방식 마이크로 액츄에이터 및 그 제조방법 - Google Patents

전자기방식 마이크로 액츄에이터 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

마이크로 액츄에이터 및 그 제조방법이 개시된다. 개시된 마이크로 액츄에이터는 베이스프레임과, 베이스프레임에 회동 가능하게 연결되어 있는 제1가동부와, 제1가동부에 회동 가능하게 연결되어 있으며, 광로를 변경시키는 미러가 마련된 제2가동부와, 적어도 한 쌍의 영구자석을 구비하하며, 제1가동부와 제2가동부의 상면에 돌출되도록 마련된 복수의 코일로 이루어진 코일부를 구비하며, 복수의 코일들 사이의 제1가동부 및 제2가동부에 각각 형성된 복수의 그루브로 이루어진 변형감쇄부를 마련하여, 코일부에 전류가 인가될 때 발생되는 열변형을 변형감쇄부가 완충함으로써 제1가동부 및 제2가동부가 변형되는 것을 줄일 수 있다.

Description

전자기방식 마이크로 액츄에이터 및 그 제조방법{Electromagnetic type micro actuator and Method for manufacturing the same}
도 1a 및 도 1b는 기판에 코일부가 형성된 모습들을 나타내는 단면도들,
도 2는 코일부에 전류를 인가할 때, 열팽창에 의하여 기판이 변형되는 모습을 도시한 도면,
도 3은 전자기효과를 이용한 마이크로 액츄에이터를 개략적으로 도시한 사시도,
도 4는 도 3의 A-A'를 따라 본 단면도,
도 5는 본 발명에 따른 변형감쇄부의 깊이에 따른 기판의 변형감소량의 변화를 도시한 그래프,
도 6 내지 도 8은 식각법에 따른 변형감쇄부의 다양한 단면형상을 도시한 도면들,
도 9는 도 4와는 다르게 형성된 코일부의 구성 및 변형감쇄부의 구성을 도시한 단면도,
도 10a 내지 도 10g는 본 발명에 따른 변형감쇄부가 적용된 마이크로 액츄에이터를 제조하는 방법을 도시한 도면들.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
110,110a,120,120a...영구자석 111...베이스프레임
112...제1가동부 113...제2가동부
114...미러 115,115a...제1지지부
116,116a...제2지지부 117...제1코일부
118...제2코일부 119,119a,119b,119c,119d...변형감쇄부
본 발명은 전자기방식 마이크로 액츄에이터 및 그 제조방법에 관한 것이다.
대형디스플레이장치에서 레이저빔을 편향시키는 마이크로 액츄에이터로 사용되는 전자기효과를 이용하는 스캐너는, 적어도 하나 이상의 영구자석과 가동판과 가동판에 마련되어 광로를 변경시키는 미러을 구비한다. 가동판에는 전류가 인가되는 코일부가 마련되어 있다. 따라서, 코일부에 전류를 인가함으로써 발생되는 전기력과 영구자석에 의하여 형성되는 자기력이 상호 작용되면서 가동판이 회동되면서 미러의 각도가 조정되는 것입니다. 그러므로, 전자기효과를 이용하는 스캐너는 전류가 인가되는 코일부를 구비하며, 이러한 코일부가 기판에 형성된 모습들이 도 1a 및 도 1b에 도시되어 있다.
도 1a 및 도 1b는 기판에 코일부가 형성된 모습들을 나타내는 단면도들이다.
도 1a를 참조하면, 기판(20)의 상면에는 메탈층(30)이 마련되어 있고, 메탈 층(30)의 상면에는 소정간격으로 이격된 복수의 코일(41)로 이루어진 코일부(40)가 마련되어 있다. 도 1b를 참조하면, 복수의 코일(41)로 이루어진 코일부(40)가 기판(20)의 상면으로부터 소정깊이로 채워져 형성되어 있다. 기판(20)은 실리콘(Si)으로 이루어져 있고, 코일부(40)는 열전도도가 높은 금속으로 이루어져 있다.
도 2는 코일부에 전류를 인가할 때, 열팽창에 의하여 기판이 변형되는 모습을 도시한 도면이다. 도 2를 참조하면, 코일(41)에 전류를 인가하면, 코일(41)에 열이 발생되며, 이것으로 인하여 코일(41)은 변형이 발생된다. 코일(41)의 변형은 기판(20)에 영향을 미치며, 기판(20)은 길이방향으로 따라 δ만큼 변형이 발생된다. 기판(20)을 이루는 실리콘(Si)과 코일(41)을 이루는 구리(Cu)의 열팽창계수를 보면, 구리(Cu)가 실리콘(Si)에 비하여 열팽창계수가 더 크다. 따라서, 코일부(40)에 전류가 인가되어 열이 발생되더라도, 실리콘(Si)자체는 열에 대하여 민감하게 반응하지 않아 변형이 현저하지는 않지만, 코일부(40)를 이루는 구리(Cu)의 열팽창에 의한 변형이 기판(20)에 영향을 미치게 되므로, 기판(20)이 변형된다는 것을 알 수 있다. 기판(20)이 변형되면, 기판(20)에 연결되어 있는 미러도 영향을 받게 되어, 광특성 및 구조의 신뢰성이 떨어지는 문제점이 있다.
본 발명은 상기 문제점을 감안한 것으로, 코일부에 전류가 인가되어 변형이 발생되더라도, 코일부가 형성된 기판에는 변형에 의한 영향이 줄어들도록 감쇄하는 변형감쇄부를 구비하는 마이크로 액츄에이터와 그 제조방법을 제공함에 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명인 마이크로 액츄에이터는 베이스프레임과, 상기 베이스프레임에 회동 가능하게 연결되어 있는 제1가동부와, 상기 제1가동부에 회동 가능하게 연결되어 있으며, 광로를 변경시키는 미러가 마련된 제2가동부와, 적어도 한 쌍의 영구자석을 구비하는 마이크로 액츄에이터에 있어서,
상기 제1가동부와 제2가동부의 상면에 돌출되도록 마련된 복수의 코일로 이루어진 코일부를 구비하며, 상기 복수의 코일들 사이의 제1가동부 및 제2가동부에 각각 형성된 복수의 그루브로 이루어진 변형감쇄부를 마련하여,
상기 코일부에 전류가 인가될 때 발생되는 열변형을 상기 변형감쇄부가 완충함으로써 상기 제1가동부 및 제2가동부가 변형되는 것을 줄일 수 있다.
본 발명에 따르면, 상기 코일부는 상기 제1가동부 및 제2가동부를 소정깊이 파낸 홈에 형성되어 있다.
본 발명에 따르면, 상기 변형감쇄부는 상기 제1가동부 및 제2가동부를 소정깊이로 식각함으로써 형성되어 있다.
본 발명에 따르면, 상기 코일부의 열팽창계수는 상기 제1가동부 및 제2가동부의 열팽창계수보다 더 크다.
본 발명의 다른 특징에 따른 마이크로 액츄에이터의 제조방법은
(a) 기판을 준비하는 단계;
(b) 상기 기판 위에 몰드층을 형성하고, 상기 몰드층에 코일부를 형성하기 위한 다수의 트렌치를 형성하는 단계;
(c) 전기도금을 이용하여 상기 다수의 트렌치에 도전성물질을 채워서 다수의 코일로 이루어진 코일부를 형성하는 단계;
(d) 상기 몰드층을 제거하는 단계;
(e) 상기 다수의 코일 양측에 위치하는 상기 기판을 소정깊이로 식각하여 형성된 복수의 그루브로 이루어진 변형감쇄부를 형성하는 단계를 포함한다.
본 발명에 따르면, 상기 (a)단계 후에, 상기 기판 위에 시드메탈층을 형성하는 단계를 더 포함한다.
본 발명에 따르면, 상기 (d)단계 후에, 상기 시드메탈층을 제거하는 단계를 더 포함한다.
본 발명에 따르면, 상기 코일부의 열팽창계수는 상기 기판의 열팽창계수보다 크다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 3은 전자기효과를 이용한 마이크로 액츄에이터를 개략적으로 도시한 사시도이고, 도 4는 도 3의 A-A'를 따라 본 단면도이고, 도 5는 본 발명에 따른 변형감쇄부의 깊이에 따른 기판의 변형감소량의 변화를 도시한 그래프이고, 도 6 내지 도 8은 식각법에 따른 변형감쇄부의 다양한 단면형상을 도시한 도면이다.
도 3을 참조하면, 전자기효과를 이용한 마이크로 액츄에이터(100)는 X축을 따라 대면되는 한 쌍의 영구자석(110,110a)과, Y축을 따라 대면되는 한 쌍의 영구자석(120,120a)과, 두 쌍의 영구자석(110,110a)(120,120a)사이에 위치하며, 고정되 어 있는 베이스프레임(111)과, 상기 베이스프레임(111)의 내측에 위치하는 제2가동판(113)에 마련된 미러(114)를 구비한다.
상기 제2가동부(113)는 상기 베이스프레임(111)에 연결된 제1가동부(112)에 연결되어 있다. 상기 제1가동부(112)는 대향하는 한 쌍의 제1지지부(115,115a)에 의하여 상기 베이스프레임(111)에 회동 가능하도록 연결되어 있다. 상기 제2가동부(113)는 대향하는 한 쌍의 제2지지부(116,116a)에 의하여 상기 제1가동부(112)에 회동 가능하도록 연결되어 있다.
상기 제1지지부(115,115a)와 제2지지부(116,116a)는 서로 직각을 이루도록 위치하고 있으며, 상기 제1지지부(115,115a)와 제2지지부(116,116a)에 각각 대응하도록 상기 영구자석(110,110a)(120,120a)들이 설치되어 있다.
즉, 상기 영구자석(110,110a)과 상기 제1지지부(115,115a)는 X축을 따라 마련되어 있고, 상기 영구자석(120,120a)과 상기 제2지지부(116,116a)는 Y축을 따라 마련되어 있다.
상기 제1가동부(112)의 상면에는 제1코일부(117)가 형성되어 있고, 상기 제2가동부(113)의 상면에는 제2코일부(118)가 형성되어 있다.
도 4를 참조하면, 상기 제1코일부(117)는 복수의 코일(117a)이 소정간격을 두고 상기 제1가동부(112)의 상면에 돌출되도록 마련되어 있다. 상기 복수의 코일(117a)의 양측에는 상기 제1가동부(112)를 소정깊이(d)로 파내어 소정공간을 이루도록 형성된 복수의 그루브(groove)로 이루어진 변형감쇄부(119)가 형성되어 있다. 상기 변형감쇄부(119)는 상기 제2가동부(113)의 상면에도 형성되어 있다.
본 발명의 특징인 상기 변형감쇄부(119)는 상기 제1코일부(117) 및 제2코일부(118)의 열변형이 상기 제1가동부(112) 및 제2가동부(113)에 영향을 미치는 것을 줄이는 역할을 하는 것이다. 전류가 인가되는 상기 제1코일부(117) 및 제2코일부(118)의 열팽창계수는 상기 제1가동부(112) 및 제2가동부(113)의 열팽창계수보다 크기 때문에, 상기 제1코일부(117) 및 제2코일부(118)에 전류가 인가되면 열팽창에 의한 변형이 발생되므로, 이러한 변형을 상기 변형감쇄부(119)가 감쇄시킴으로써 상기 제1가동부(112) 및 제2가동부(113)가 변형되는 것을 감쇄시키는 것이다.
하기의 표1은 상기 변형감쇄부(119)의 깊이(d)에 따른 상기 제1가동부(112) 및 제2가동부(113)의 변형량을 비교한 것이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 상기 코일(117a)의 폭은 W1 이고, 상기 코일(117a)의 높이는 h 이고, 상기 코일(117a)사이의 간격은 W2 이고, 상기 제1가동부(112)의 두께는 t 이며, 상기 변형감쇄부(119)의 깊이는 d 이다.
W1= 15㎛, h=10㎛, W2=10㎛, t=40㎛ 이고, d는 1㎛,2㎛,3㎛ 순서대로 변경하면서, 상기 코일(117a)을 전류를 인가하면서 상기 제1가동부(112)의 변형량을 측정한 결과이다. 상기 변형감쇄부(119)를 형성하지 않은 상태에서 상기 제1가동부(112)의 변형량은 0.514㎛이다.
깊이(d) 1㎛ 2㎛ 3㎛
변형감소비율 -44% (0.287㎛/0.514㎛) -70% (0.152㎛/0.514㎛) -85% (0.079㎛/0.514㎛)
표 1 및 도 5를 참조하면, 상기 변형감쇄부(119)의 깊이(d)를 1㎛로 하면, 상기 제1가동부(112)의 변형량은 0.287㎛이므로, 상기 변형감쇄부(119)가 없는 경우의 상기 제1가동부(112)의 변형량(0.514㎛)대비하여 44% 정도 변형량이 줄어들었다는 것을 알 수 있다.
또한, 상기 변형감쇄부(119)의 깊이(d)를 2㎛로 하면, 상기 제1가동부(112)의 변형량은 0.152㎛이므로, 상기 변형감쇄부(119)가 없는 경우의 상기 제1가동부(112)의 변형량(0.514㎛)대비하여 70% 정도 변형량이 줄어들었다는 것을 알 수 있다.
그리고, 상기 변형감쇄부(119)의 깊이(d)를 3㎛로 하면, 상기 제1가동부(112)의 변형량은 0.079㎛이므로, 상기 변형감쇄부(119)가 없는 경우의 상기 제1가동부(112)의 변형량(0.514㎛)대비하여 85% 정도 변형량이 줄어들었다는 것을 알 수 있다.
결국, 상기 변형감쇄부(119)의 깊이(d)가 깊어질수록 상기 제1가동부(112)의 변형량은 줄어든다는 것을 알 수 있다. 이는 상기 코일(117a)에 전류가 인가하면서 발생된 열변형이 상기 변형감쇄부(119)쪽으로는 영향을 미치지 않고, 상기 코일(117a)의 바로 아래에 연결된 쪽으로만 전달되므로 변형량이 줄어드는 것이다. 또한, 변형감쇄부(119)의 깊이가 깊어질수록 상기 변형감쇄부(119)가 상기 제1가동부(112)를 차지하는 면적비율이 커지게 되어, 상기 제1가동부(112)는 상기 코일(117a)의 열변형의 영향을 덜 받는 것이다.
상기 제1코일부(117) 및 제2코일부(118)에 전류가 흐르고, 상기 영구자석(110,110a)(120,120a)에 의하여 발생되는 자기력과 상호 작용되어 발생되는 로렌쯔힘(Lorentz force)이 상기 제1가동부(112)와 상기 제2가동부(113)를 회동시키는 작용력을 작용한다.
상기한 마이크로 액츄에이터(100)의 구성은 본 발명의 특징인 변형감쇄부(119)를 설명하기 위하여 일례로 든 것이며, 영구자석의 개수 및 배치, 가동부의 개수 및 형상, 코일부의 배치위치 등은 마이크로 액츄에이터의 구동과 관련하여 변경될 수 있는 것으로 상기한 도 3에 도시된 마이크로 액츄에이터의 구성에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 특징은 코일부의 양측에 변형감쇄부를 마련한 것, 즉, 서로 다른 열팽창계수를 가지는 두 개의 구성요소가 서로 접합되어 있는 구성에서, 상대적으로 작은 열팽창계수를 가지는 쪽의 일부를 제거하여 변형감쇄부를 마련함으로써, 열팽창계수가 큰 쪽의 열변형으로 인하여 열팽창계수가 작은 쪽이 변형되는 것을 방지할 수 있도록 하는 것이다.
도 6 내지 도 8을 참조하면, 변형감쇄부의 단면형상이 다양하게 형성되어 있는 것을 볼 수 있다. 도 6에 도시된 변형감쇄부(119a)의 단면형상이 사다리꼴이며, 도 7에 도시된 변형감쇄부(119b)의 단면형상은 타원형이며, 도 8에 도시된 변형감쇄부(119c)의 단면형상은 역사다리꼴형상이다.
이는 상기 변형감쇄부(19)를 식각하는 방법에 따라 그 단면형상을 도 6 내지 도 8에 도시된 바와 같이 형성할 수 있기 때문이다. 따라서, 도 6 내지 도 8에 도시된 상기 변형감쇄부(19)의 폭이나 단면형상에 본원이 한정되는 것은 아니며, 다양한 단면형상이 적용될 수 있다.
도 9는 도 4와는 다르게 형성된 코일부의 구성 및 변형감쇄부의 구성을 도시한 단면도이다.
도 9를 참조하면, 코일부(17b)는 도 4에 도시된 것과는 상이하게 상기 제1가동부(112)에 소정깊이로 파여서 형성된 복수의 홈(112a)에 각각 채워져 마련된 복수의 코일(117c)로 이루어져 있다. 상기 변형감쇄부(119d)는 상기 복수의 코일(117c)의 사이에 상기 제1가동부(112)를 소정깊이로 파내어서 형성된다.
다음으로, 본 발명의 특징인 변형감쇄부를 구비하는 마이크로 액츄에이터에서 변형감쇄부를 제조방법에 대하여 설명한다.
도 10a 내지 도 10g는 본 발명에 따른 변형감쇄부가 적용된 마이크로 액츄에이터를 제조하는 방법을 도시한 도면들이다. 하기에서 설명하는 제조방법은 MEMS공정을 이용하여 형성하는 것으로, 일반적으로 알려진 MEMS공정을 이용하며, 별도로 다른 방법을 이용하는 것은 아니므로, 알려진 MEMS공정에 대한 자세한 설명은 생략한다.
도 10a를 참조하면, 실리콘(Si)으로 이루어진 기판(200)의 상면에 산화막(210,SiO2)이 형성한다.
도 10b를 참조하면, 상기 기판(200)의 산화막(210)위에 시드메탈층(220, seed metal layer)을 형성한다.
도 10c를 참조하면, 상기 시드메탈층(220)위에 포토레지스트를 도포하여 몰드층(230)을 형성한 후, 포토마스크(미도시)를 이용하여 원하는 모양으로 패터닝한 다음, 패터닝된 부분을 제거하여 복수의 트렌치(231)를 형성한다.
도 10d를 참조하면, 상기 몰드층(230)에 형성된 상기 복수의 트렌치(231)에 전기도금(electroplating)을 이용하여 도전성물질을 도금하여 복수의 코일(241)로 이루어진 코일부(240)를 형성한다.
도 10e를 참조하면, 상기 몰드층(230)을 제거한다. 상기 몰드층(230)을 제거하면, 상기 시드메탈층(220)과 코일부(240)가 외부로 노출된다.
도 10f를 참조하면, 상기 코일부(240)의 하측에 마련된 것을 제외하고, 나머지 상기 시드메탈층(220)을 제거한다. 상기 시드메탈층(220)을 제거하면, 상기 코일부(240)의 하측에 마련된 부분을 제외하고는 나머지부분은 외부로 노출된다.
도 10g를 참조하면, 상기 코일(241)의 사이 및 양 끝에 위치하는 상기 코일(241)의 양측을 소정폭 및 소정깊이로 제거하여 형성된 복수의 그루브로 이루어진 변형감쇄부(250)를 형성한다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 마이크로 액츄에이터 및 그 제조방법은 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 코일부와 코일부가 형성된 기판사이에 열팽창계수의 차이로 인하여 기판이 열변형되는 것을 감소시키며,
둘째, 기판의 변형량이 감소함에 따라, 코일부의 필오프(peel off)현상을 방지할 수 있으며,
셋째, 기판의 변형량이 감소함에 따라, 이에 연결되어 있는 지지부의 변형이 저감됨으로써, 미러의 변형이 방지되어, 광특성향상 및 구조신뢰성 및 구동선형성 을 향상시킬 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 하여 설명하였으나 이는 예시적인 것에 불과하며 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 실시예의 변형이 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해서 정해져야 할 것이다.

Claims (8)

  1. 베이스프레임과, 상기 베이스프레임에 회동 가능하게 연결되어 있는 제1가동부와, 상기 제1가동부에 회동 가능하게 연결되어 있으며, 광로를 변경시키는 미러가 마련된 제2가동부와, 적어도 한 쌍의 영구자석을 구비하는 마이크로 액츄에이터에 있어서,
    상기 제1가동부와 제2가동부의 상면에 돌출되도록 마련된 복수의 코일로 이루어진 코일부를 구비하며, 상기 복수의 코일들 사이의 제1가동부 및 제2가동부에 각각 형성된 복수의 그루브로 이루어진 변형감쇄부를 마련하여,
    상기 코일부에 전류가 인가될 때 발생되는 열변형을 상기 변형감쇄부가 완충함으로써 상기 제1가동부 및 제2가동부가 변형되는 것을 줄일 수 있는 것을 특징으로 하는 마이크로 액츄에이터.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 코일부는 상기 제1가동부 및 제2가동부를 소정깊이 파낸 홈에 형성되는 것을 특징으로 하는 마이크로 액츄에이터.
  3. 제 1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 변형감쇄부는
    상기 제1가동부 및 제2가동부를 소정깊이로 식각함으로써 형성되는 것을 특 징으로 하는 마이크로 액츄에이터.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 코일부의 열팽창계수는 상기 제1가동부 및 제2가동부의 열팽창계수보다 더 큰 것을 특징으로 하는 마이크로 액츄에이터.
  5. (a) 기판을 준비하는 단계;
    (b) 상기 기판 위에 몰드층을 형성하고, 상기 몰드층에 코일부를 형성하기 위한 다수의 트렌치를 형성하는 단계;
    (c) 전기도금을 이용하여 상기 다수의 트렌치에 도전성물질을 채워서 다수의 코일로 이루어진 코일부를 형성하는 단계;
    (d) 상기 몰드층을 제거하는 단계;
    (e) 상기 다수의 코일 양측에 위치하는 상기 기판을 소정깊이로 식각하여 형성된 복수의 그루브로 이루어진 변형감쇄부를 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 액츄에이터 제조방법.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 (a)단계 후에, 상기 기판 위에 시드메탈층을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 액츄에이터 제조방법.
  7. 제 5항에 있어서,
    상기 (d)단계 후에, 상기 시드메탈층을 제거하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 액츄에이터 제조방법.
  8. 제 5항에 있어서,
    상기 코일부의 열팽창계수는 상기 기판의 열팽창계수보다 큰 것을 특징으로 하는 마이크로 액츄에이터 제조방법.
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